321 مقابل 347H - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

اختيار بين الفولاذ المقاوم للصدأ 321 و347H هو نقطة قرار شائعة للمهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع الذين يعملون في بيئات عالية الحرارة أو تآكل. عادة ما تتركز المقايضات على مقاومة التآكل تحت التعرض الحراري، وقابلية اللحام وسهولة التصنيع، وقوة التحمل العالية على المدى الطويل، وتكلفة دورة الحياة.

التمييز الرئيسي بين هذين النوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المستقر يكمن في استراتيجيات الاستقرار ضد ترسيب الكربيد عند درجات الحرارة المرتفعة: أحد الدرجات مستقر بالتيتانيوم بينما الآخر مستقر بالنيوبيوم ويقدم في شكل عالي الكربون لتحسين القوة عند درجات الحرارة العالية. هذه الاختلافات تحدد مقاومتها للهجوم بين الحبيبات بعد الدورة الحرارية، وسلوك الزحف والانكسار، وتؤثر على الاختيار لمكونات الفرن، وأنابيب الغلايات والسخانات، ومكونات المصانع الكيميائية.

1. المعايير والتسميات

• المعايير والتسميات الشائعة:
• ASTM/ASME: 321 (غالبًا ما يُعطى كـ ASTM A240 / ASME SA240)، 347H (ASTM A240 / ASME SA240 شكل عالي الكربون من 347)
• EN: المعادلات تظهر كـ X6CrNiTi17-12 أو ما شابه لـ 321؛ 347/347H تم رسمها إلى درجات EN مع استقرار الكولومبيوم/النيوبيوم
• JIS/GB: المعايير الوطنية توفر تسميات وتركيبات متطابقة
• التصنيف:
• كلا من 321 و347H هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع الأوستنيتي (عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ).
• هما ليسا فولاذًا كربونيًا، أو فولاذ أدوات، أو HSLA - إنهما سبائك مقاومة للصدأ (مقاومة للتآكل) مصممة لدرجات حرارة مرتفعة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

الدرجان يشتركان في نفس كيمياء مصفوفة الأوستنيت (تركيبة قائمة على النيكل والكروم التي تثبت الأوستنيت) لكنهما يختلفان في العناصر المستقرة والتحكم في الكربون.

جدول: وجود/دور العناصر (نوعي)

عنصر	321	347H	الدور / الملاحظات
C (الكربون)	أوستنيتي منخفض الكربون	شكل عالي الكربون (H)	يؤثر الكربون على قوة الزحف وسلوك الترسيب
Mn (المنغنيز)	موجود (قليل)	موجود (قليل)	مثبت للأوستنيت، يؤثر على العمل الساخن
Si (السيليكون)	موجود (أثر ضئيل)	موجود (أثر ضئيل)	مزيل للأكسدة، تأثير ضئيل على الخصائص
P (الفوسفور)	تحكم ضئيل	تحكم ضئيل	تحكم في الشوائب من أجل المتانة
S (الكبريت)	تحكم ضئيل	تحكم ضئيل	يؤثر على قابلية التشغيل؛ يُحافظ على مستوى منخفض
Cr (الكروم)	عنصر سبيكة رئيسي	عنصر سبيكة رئيسي	المساهم الرئيسي في مقاومة التآكل
Ni (النيكل)	عنصر سبيكة رئيسي	عنصر سبيكة رئيسي	يثبت الأوستنيت، يحسن اللدونة والمتانة
Mo (الموليبدينوم)	عادة ما يكون ضئيلًا/غير موجود	عادة ما يكون ضئيلًا/غير موجود	ليس ميزة تصميم لهذه الدرجات
V (الفاناديوم)	ليس مثبتًا هنا	ليس مثبتًا هنا	عادة لا يُستخدم في هذه الدرجات
Nb (النيوبيوم / الكولومبيوم)	لا يُستخدم كمثبت رئيسي	موجود كمثبت	يشكل Nb-carbonitrides التي تثبت الكربيدات وحدود الحبيبات
Ti (التيتانيوم)	موجود كمثبت	قد يكون موجودًا فقط بكميات صغيرة	يشكل Ti-carbonitrides لمنع ترسيب كربيد الكروم
B (البورون)	أثر ضئيل إن وجد	أثر ضئيل إن وجد	ليس دافع تصميم
N (النيتروجين)	مستويات منخفضة	مستويات منخفضة	يؤثر قليلاً على القوة ومقاومة التآكل

تفسير - كلا السبيكتين هما فولاذان مقاومان للصدأ من نوع الأوستنيتي قائم على الكروم والنيكل. يوفر الكروم الفيلم السالب لمقاومة التآكل العامة؛ يثبت النيكل المرحلة الأوستنيتية ويحسن المتانة. - يستخدم 321 التيتانيوم كمثبت: يشكل التيتانيوم بشكل تفضيلي كربيدات/نيتريدات التيتانيوم، التي تربط الكربون وتمنع ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات خلال التعرض الحراري الطويل. - يستخدم 347H النيوبيوم (الكولومبيوم) كمثبت ويُقدم في شكل عالي الكربون (الـ "H") لتعزيز القوة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف. يتمتع النيوبيوم بعمل استقرار مشابه للتيتانيوم ولكنه فعال بشكل خاص عند دمجه مع كربون أعلى من أجل قوة طويلة الأمد عند درجات الحرارة المرتفعة.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

البنية المجهرية - عند درجة حرارة الغرفة، كلا الدرجتين هما أوستنيت أحادي الطور (مكعب مركزي الوجه)، مع إضافات السبيكة والمثبتات الموجودة ككربيدات/نيتريدات دقيقة. - الترسيبات المستقرة: يظهر 321 كربيدات نيتريدات التيتانيوم؛ يظهر 347H كربيدات نيتريدات النيوبيوم. هذه الترسيبات عادة ما تكون دقيقة وموزعة عند حدود الحبيبات وداخل الحبيبات.

استجابة المعالجة الحرارية والمعالجة - الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عمومًا غير قابل للتصلب عن طريق التبريد؛ يتم ضبط القوة من خلال العمل البارد أو التلدين الحلولي. - التلدين الحلولي يليه التبريد السريع يذيب الترسيبات ويستعيد مقاومة التآكل إذا تم بشكل صحيح. - بالنسبة للدرجات المستقرة، يربط المثبت الكربون أثناء اللحام أو التبريد البطيء، مما يقلل من خطر ترسيب كربيد الكروم (الحساسية). - تم تصميم 347H، مع كربون أعلى ونيوبيوم، للاحتفاظ بمقاومة زحف أفضل والحفاظ على استقرار حدود الحبيبات تحت التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية؛ ومع ذلك، يجب أن تتحكم إجراءات اللحام في الدورات الحرارية لتجنب الترسيبات غير المرغوب فيها.

آثار العملية - التعديل ليس ممارسة قياسية لهذه الدرجات الأوستنيتية؛ التلدين (المعالجة الحلولية) هو العملية الحرارية المعتادة لاستعادة الهيكل بعد التصنيع. - تؤثر المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة المتحكم بها للأنابيب أو القوالب) بشكل أساسي على حجم الحبيبات وقوة الزحف؛ تستجيب كلا الدرجتين بشكل مشابه من حيث إعادة التبلور ونمو الحبيبات، لكن سلوك الترسيب في 347H يحسن مقاومة الزحف عند درجات حرارة أعلى.

4. الخصائص الميكانيكية

جدول: مقارنة نوعية عند ظروف الخدمة العادية والمرتفعة

الخاصية	321	347H	ملاحظات
قوة الشد (درجة حرارة الغرفة)	مماثلة	مماثلة	كلاهما يمتلك خصائص شد مماثلة عند درجة حرارة الغرفة نموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي
قوة العائد	قابلة للمقارنة	أعلى قليلاً عند درجات الحرارة المرتفعة	تحسن الكربون الأعلى وترسيب النيوبيوم في 347H القوة عند درجات الحرارة العالية
التمدد / اللدونة	جيدة، لدونة أعلى	جيدة، لدونة أقل قليلاً مقارنة بـ 321	يقلل الكربون الأعلى بشكل معتدل من اللدونة في 347H
صلابة التأثير	ممتازة عند درجة حرارة الغرفة	ممتازة عند درجة حرارة الغرفة	كلاهما يحتفظ بمتانة جيدة؛ يتطلب التحكم الدقيق بعد العمل البارد
الصلابة	مماثلة في الحالة الملدنة	مماثلة (قد تكون أعلى قليلاً إذا تم العمل البارد)	تزداد الصلابة مع العمل البارد لكلا الدرجتين

تفسير - عند درجة حرارة الغرفة، الخصائص الميكانيكية متشابهة بشكل عام، وكلاهما يوفر متانة جيدة ولدونة نموذجية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. - في خدمة درجات الحرارة المرتفعة على المدى الطويل، يقدم 347H عادةً احتفاظًا أفضل بقوة الشد/العائد ومقاومة الزحف بسبب الكربون الأعلى والترسيبات المستقرة بالنيوبيوم التي تقوي المصفوفة وتبطئ تدهور الحدود.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام أمر حاسم للتصنيع وموثوقية الخدمة.

العوامل - يعتبر كل من 321 و347H عمومًا قابلين للحام وفقًا لممارسات اللحام القياسية للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، لكن استراتيجية الاستقرار ومحتوى الكربون يؤثران على القابلية للحساسية والمراحل الثانوية. - يقلل الكربون المنخفض في 321 من الميل لتشكيل كربيدات الكروم، ويساعد استقرار التيتانيوم في منع الحساسية. يتطلب استقرار النيوبيوم في 347H وكربونه الأعلى عناية مع دورات اللحام الحرارية لضمان ربط النيوبيوم بشكل فعال للكربون وتجنب المناطق المحلية المنخفضة الكروم.

مؤشرات قابلية اللحام الشائعة (للتفسير) - المعادل الكربوني (شكل IIW) غالبًا ما يُستخدم نوعيًا لتقييم قابلية التصلب/خطر تشقق اللحام: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - معلمة أكثر تفصيلًا للفولاذ المقاوم للصدأ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

تفسير (نوعي) - كلا الدرجتين تعطي قيم معتدلة في هذه المؤشرات مقارنة بالفولاذ الفيريتك/المبرد؛ ليست عرضة للتشقق البارد المدعوم بالهيدروجين ولكن يمكن أن تظهر تشققات التصلب وتشكيل مراحل بين معدنية ضارة إذا تم استخدام حشو أو إدخال حرارة غير صحيح. - عادة لا يتطلب التسخين المسبق للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، لكن يجب اختيار معالجة الحرارة بعد اللحام واختيار الحشو للحفاظ على فعالية الاستقرار: بالنسبة لـ 321، تأكد من أن نسبة التيتانيوم إلى الكربون كافية في معدن اللحام؛ بالنسبة لـ 347H، اختر حشو وإجراء يتناسب مع استقرار النيوبيوم ويمنع النضوب المحلي.

6. التآكل وحماية السطح

التآكل العام - يعتمد كل من 321 و347H على الكروم لتشكيل فيلم أكسيد سالب؛ يوفران مقاومة جيدة للتآكل العام في العديد من الأجواء والبيئات الكيميائية الخفيفة.

التآكل بين الحبيبات والحساسية عند درجات الحرارة العالية - تم تضمين المثبتات (Ti في 321 وNb في 347H) بشكل خاص لمنع ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبيبات خلال التعرض لدرجات حرارة حساسة، مما يقلل من القابلية للتآكل بين الحبيبات. - يحسن استقرار النيوبيوم في 347H مع محتواه العالي من الكربون مقاومة الهجوم بين الحبيبات خلال التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية والدورات الحرارية الشائعة في تطبيقات الغلايات والسخانات.

استخدام مؤشرات التآكل - رقم مقاومة التآكل (PREN) ذو صلة بتقييم مقاومة التآكل في البيئات الكلورية: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - بالنسبة لـ 321 و347H، فإن PREN له فائدة محدودة لأن هذه الدرجات ليست مصممة أساسًا لمقاومة التآكل العالية (فقيرة في Mo)؛ PREN أكثر معنى للفولاذ المزدوج أو الأوستنيتي/الفيريتكي العالي Mo.

حماية السطح للبدائل غير المقاومة للصدأ - غير قابلة للتطبيق هنا (كلاهما مقاوم للصدأ). بالنسبة للفولاذ غير المقاوم للصدأ، ستشمل الحماية الجلفنة، الطلاء، أو الطلاء.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي يتصلب بسرعة؛ كلا من 321 و347H يتطلبان أدوات حادة، إعدادات صلبة، ومعلمات قطع صحيحة. قد يكون 347H (الكربون الأعلى) أقل سهولة في التشغيل قليلاً من 321، لكن الفرق معتدل.
• قابلية التشكيل والانحناء: كلاهما قابل للتشكيل بشكل كبير في الحالة الملدنة. قد يظهر 321 قابلية تشكيل أفضل قليلاً بسبب محتوى الكربون المنخفض، بينما يمكن أن تجعل بنية الكربون الأعلى والترسيب في 347H المادة أكثر صلابة.
• تشطيب السطح: كلاهما يتطلب عمليات تشطيب وتلميع مماثلة؛ تعتبر معالجة النقع والتخميل قياسية بعد اللحام لاستعادة الفيلم السالب الغني بالكروم.

8. التطبيقات النموذجية

321 – الاستخدامات النموذجية	347H – الاستخدامات النموذجية
مكونات العادم ومبادلات الحرارة في أنظمة الطائرات والسيارات	أنابيب الغلايات، أنابيب السخانات والسخانات في محطات الطاقة الأحفورية والنووية
معدات معالجة كيميائية معرضة لدرجات حرارة عالية معتدلة وأجواء تآكلية	مكونات فرن عالي الحرارة وأنابيب تتطلب مقاومة زحف على المدى الطويل
معدات معالجة الطعام وتركيبات المعالجة الحرارية حيث يكون الاستقرار مطلوبًا	أنابيب ومكونات وعاء كيميائي عالي الحرارة حيث يكون خطر الحساسية مرتفعًا
مكونات الطيران والمحركات حيث يكون استقرار التيتانيوم مفهومًا جيدًا	مكونات معرضة لدورات حرارية طويلة حيث يحافظ استقرار النيوبيوم على سلامة حدود الحبيبات

مبررات الاختيار - اختر 321 عندما تكون مقاومة التآكل العامة عند درجات الحرارة العالية وقابلية اللحام الجيدة مطلوبة، وتكون التكلفة أو سهولة التشكيل أولوية. - اختر 347H عندما تتضمن الخدمة تعرضات مطولة عند درجات حرارة مرتفعة حيث تكون مقاومة التآكل بين الحبيبات (الحساسية) ومقاومة الزحف هي القضايا الرئيسية، وتكون تكلفة المواد الأعلى مقبولة قليلاً.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: 321 متاحة بشكل شائع وعادة ما تكون أقل تكلفة من 347H لأن الدرجات المستقرة عالية الكربون والمخلوطة بالنيوبيوم هي عناصر متخصصة وتستخدم ضوابط سبائك ومعالجة أكثر تكلفة.
• التوافر: 321 متوفرة على نطاق واسع في الألواح، والأوراق، والشرائط، وأنابيب ملحومة/غير ملحومة. 347H متاحة في أشكال منتجات قياسية ولكن قد تكون أقل شيوعًا في بعض مناطق السوق وفي المنتجات غير الملحومة ذات القطر الكبير - يمكن أن تكون أوقات التسليم والحد الأدنى من الطلبات أطول.
• ملاحظة الشراء: حدد الدرجة الدقيقة ومتطلبات الاستقرار (Ti مقابل Nb، نطاق الكربون) في أوامر الشراء لتجنب استلام النسخة غير H من 347 أو درجة غير مستقرة.

10. الملخص والتوصية

جدول: ملخص نوعي

المعيار	321	347H
قابلية اللحام	جيدة - أسهل في التحكم مع استقرار التيتانيوم	جيدة - تتطلب الانتباه لاستقرار النيوبيوم واختيار الحشو
القوة–المتانة (درجات الحرارة العالية)	جيدة عند درجات الحرارة المعتدلة	أفضل قوة عند درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف
التكلفة	عمومًا أقل / متاحة على نطاق واسع	عمومًا أعلى / درجة متخصصة

الخاتمة (التوصيات) - اختر 321 إذا: - كانت التطبيق يتضمن درجات حرارة عالية معتدلة مع دورات حرارية عرضية، حيث تكون مقاومة التآكل العامة الجيدة وسهولة التصنيع مطلوبة. - كانت التكلفة، وقابلية التشكيل، وأشكال المنتجات المتاحة بسهولة مهمة. - اختر 347H إذا: - كانت الخدمة تتضمن تعرضات مطولة لدرجات حرارة مرتفعة، أو إجهاد زحف طويل الأمد، أو دورات حرارية متكررة تعرض لخطر الحساسية والتآكل بين الحبيبات. - كانت الاحتفاظ بخصائص الميكانيكية عند درجات الحرارة العالية واستقرار حدود الحبيبات أمرًا حاسمًا ويمكنك قبول تكلفة المواد الأعلى وعمليات اللحام/التصنيع الأكثر تطلبًا قليلاً.

ملاحظة عملية نهائية - بالنسبة للمكونات الحرجة المعرضة لخدمة عالية الحرارة لفترات طويلة، حدد الدرجة المستقرة، ومتطلبات معالجة الحرارة بعد التصنيع (إن وجدت)، وتركيب حشو اللحام، ومعايير الفحص. إن الانخراط المبكر في هندسة المعادن وهندسة اللحام خلال التصميم والمشتريات يتجنب الفشل المكلف في الميدان أو إعادة التصنيع.